Fotodetektor Infrarot Dekat Dual-Kuadran Tinggi Efisiensi Menggunakan Silikon Hitam Skala Nanometer

Abstrak

Dalam artikel ini, proses persiapan baru untuk silikon hitam skala nanometer diusulkan, dengan mempersiapkan material silikon hitam dop Se dengan penangkap optik tinggi melalui ablasi laser pulsa nanodetik pada silikon tahan tinggi lapisan film Se dalam atmosfer gas HF. Hasil menunjukkan bahwa daya serap rata-rata pada band 400–2200 nm sebelum pemanasan adalah 96,81%, dan daya serap tetap pada 81,28% setelah pemanasan pada 600 derajat. Sementara itu, silikon hitam yang disiapkan dengan teknologi baru digunakan dalam fotodetektor duplikasi empat kuadran, hasilnya menunjukkan bahwa, pada bias terbalik 50 V, daya tanggung rata-rata per unit adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm, dan arus gelap rata-rata adalah 2 nA pada kuadran dalam dan 8 nA pada kuadran luar. Fotodetektor duplikasi empat kuadran berbasis silikon hitam yang ditingkatkan infrarot dekat memiliki keunggulan daya tanggung tinggi, arus gelap rendah, respons cepat, dan crosstalk rendah, sehingga cocok untuk serangkaian arah aplikasi, seperti deteksi penglihatan malam dan bidang medis.

Pendahuluan

Fotodetektor yang ditingkatkan infrarot dekat [1,2,3] sulit untuk mendapatkan kinerja yang memuaskan dibandingkan fotodetektor pada panjang gelombang lain [4,5,6] karena dibatasi oleh jangkauan respons, tingkat respons, arus gelap, dan crosstalk dalam band infrarot dekat. Namun, sejak Carey mengembangkan detektor infrarot silikon hitam pertama pada tahun 2005, fotodetektor berbasis material silikon hitam mulai berkembang pesat. Kinerja silikon hitam yang dikembangkan Carey jauh melebihi kinerja detektor infrarot silikon kristal tunggal. Tidak lama setelah itu, beberapa peneliti menambahkan teknologi passivasi pada detektor silikon hitam untuk mengurangi arus gelapnya. Silikon hitam [7,8,9] menjadi material pilihan untuk fotodetektor infrarot dekat berbasis silikon karena tingkat serapannya yang tinggi dan spektrum serapan yang luas.

Sebagai salah satu material paling penting dalam industri semikonduktor, sangat penting untuk mengelola kualitas pemrosesan material silikon hitam dengan baik [10,11,12,13,14]. Persiapan silikon hitam dengan spektrum luas, serapan tinggi, dan cacat rendah sangat penting untuk fotodetektor infrarot dekat dengan performa tinggi. Ada beberapa penelitian tentang persiapan material silikon hitam dengan pemindaian laser femtodik [15, 16] dalam atmosfer SF6 [17, 18], dan material silikon hitam dalam band ultraviolet hingga infrarot dekat dapat mencapai serapan lebih dari 90% [19]. Namun, serapan di wilayah infrarot dekat berkurang menjadi sekitar 50% setelah pemanasan suhu tinggi. Sementara itu, peneliti menemukan bahwa serapan silikon hitam dop Se dan Te berkurang secara signifikan oleh pemanasan dibandingkan silikon hitam dop S, tetapi dalam proses dopling membran Se dan Te padat, material silikon hitam disiapkan dalam bentuk bukit, dan penangkap cahaya tidak cukup baik [20, 21].

Dalam artikel ini, proses persiapan baru untuk silikon hitam skala nanometer diusulkan, dengan mempersiapkan material silikon hitam dop Se dengan penangkap optik tinggi melalui ablasi laser pulsa nanodetik pada silikon tahan tinggi lapisan film Se dalam atmosfer gas HF. Hasil menunjukkan bahwa daya serap rata-rata pada band 400–2200 nm sebelum pemanasan adalah 96,81%, dan daya serap tetap pada 81,28% setelah pemanasan pada 600 derajat. Sementara itu, silikon hitam yang disiapkan dengan teknologi baru digunakan dalam duplikasi empat kuadran fotodetektor, hasilnya menunjukkan bahwa daya tanggung rata-rata per unit adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm pada bias 50 V, dan arus gelap rata-rata adalah 2 nA pada kuadran dalam dan 8 nA pada kuadran luar. Fotodetektor duplikasi empat kuadran berbasis silikon hitam yang ditingkatkan infrarot dekat memiliki keunggulan daya tanggung tinggi, arus gelap rendah, respons cepat dan crosstalk rendah, sehingga cocok untuk serangkaian arah aplikasi, seperti deteksi penglihatan malam dan bidang medis.

Metode

Fotodetektor diproduksi dan diuji dengan proses berikut. Pertama, material silikon hitam disiapkan, wafer silikon tahan tinggi tipe N dipotong menjadi sampel 5 cm × 5 cm, dan sampel dibersihkan dengan prosedur pembersihan standar dan dikeringkan dalam atmosfer nitrogen. Kemudian, serbuk Se dengan kemurnian 99,99% digunakan sebagai sumber penguapan, dan film Se ditinggalkan pada permukaan sampel Si dengan mesin penguapan vakum. Gas HF diperkenalkan dalam proses ets laser femtodik, dan parameter pemrosesan adalah sebagai berikut: kecepatan pemindaian: 1 mm/s; densitas daya laser: 4,5 kJ/m²; tekanan gas HF: 9 × 10⁴ Pa. Laser femtodik yang digunakan dalam artikel ini adalah amplifier laser femtodik Ti:sapphire yang diproduksi oleh Spectra-Physics Corporation. Kedua, duplikasi empat kuadran fotodetektor disiapkan dengan menggunakan material silikon hitam, struktur skematis duplikasi empat kuadran fotodetektor dan proses pembuatan spesifik ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2. Terakhir, morfologi silikon hitam dikarakterisasi dengan mikroskop elektron skaning emissi medan (SEM), dan karakteristik spektral material diuji dengan spektrometer optik fiber NIR2500 dan bola integrasi. Sementara itu, arus respons, karakteristik arus gelap, dan waktu naik fotodetektor diuji. Selama pengujian, sumber cahaya adalah laser band Amonics, arus gelap diukur dengan menambahkan kotak hitam pada detektor untuk mengukur arus pada bias terbalik, dan waktu respons diukur dengan membaca perubahan arus foto melalui osiloskop ketika sinyal pulsa laser diberikan pada detektor.

Struktur skematis duplikasi empat kuadran fotodetektor

Proses pembuatan spesifik fotodetektor

Hasil dan Pembahasan

Dalam artikel ini, material silikon hitam dop Se dengan penangkap optik tinggi disiapkan melalui ablasi laser pulsa nanodetik pada silikon tahan tinggi lapisan film Se dalam atmosfer gas HF. Di satu sisi, efek pemanasan pada silikon hitam dikurangi karena lapisan Se bersifat teroversaturasi daripada menggunakan silikon dop S tradisional. Laju difusi atom S keluar jaring Si lebih cepat dari Se; oleh karena itu, efek pemanasan kurang baik. Di sisi lain, HF terurai menjadi H+ dan F− pada suhu tinggi, dan ion F berinteraksi dengan material silikon yang diablasi oleh laser femtodik pada suhu tinggi untuk menghasilkan SiF4 yang mudah beruap; dengan cara ini, permukaan material terus diets, membentuk struktur piramida skala nanometer, piramida skala nanometer yang dihasilkan oleh ets laser secara efektif mengurangi refleksi silikon hitam. Sementara itu, passivasi permukaan mengoptimalkan umur pembawa minor, dan mengurangi kepadatan cacat material silikon hitam serta rekombinasi pembawa yang tidak perlu. Ets laser femtodik sederhana dan dapat direproduksi, dengan kemajuan array silikon hitam yang baik, sementara lebar celah energi silikon hitam dapat sangat dikurangi. Dengan mempelajari lebih lanjut pengaruh atmosfer gas, daya laser, dan kecepatan pemindaian laser terhadap properti material silikon hitam, alur proses optimal dapat diperoleh. Silikon hitam memiliki peningkatan yang signifikan dalam serapan setelah pemanasan yang disiapkan dengan proses baru.

Duplikasi empat kuadran fotodetektor diproduksi dengan menggunakan material silikon hitam dengan proses baru; struktur skematis yang diusulkan dalam artikel ini ditunjukkan pada Gambar 1. Fotodetektor yang diusulkan terdiri dari lapisan sensitif cahaya, selang isolasi, dan lapisan silikon hitam. Diameter luar permukaan sensitif cahaya adalah 8 mm, sementara diameter dalam adalah 2 mm, dan area sensitif cahaya dipisahkan satu sama lain oleh selang isolasi. Fotodetektor yang diusulkan dapat menentukan ukuran offset dan orientasi target relatif terhadap sumbu optik sesuai hasil deteksi kuadran yang berbeda, sehingga mencapai penempatan yang akurat.

Arus respons, karakteristik arus gelap, waktu naik, dan karakteristik crosstalk fotodetektor direplikasi dengan perangkat lunak komersial COMSOL Multiphysics 5.4a untuk merancang struktur optimal. Arus respons, karakteristik arus gelap, dan waktu naik fotodetektor dapat diperoleh dengan Eq. 1–3. Terlihat bahwa arus respons, arus gelap, dan waktu respons berkaitan erat dengan ketebalan lapisan I dan tegangan bias ketika luas, daya insiden, dan parameter material ditentukan; oleh karena itu, parameter ini terutama direplikasi.
$${\text{I}}_{{\text{p}}} = \frac{{qP\left( {1 - R} \right)}}{hv} \cdot \left( {1 - \frac{{e^{ - \alpha W} }}{{1 + \alpha \sqrt {D\tau } }}} \right) + qP\frac{D}{{\sqrt {D\tau } }}$$ (1) $${\text{I}}_{D} = \sqrt {Aqn\frac{W}{2\tau }} + \left( {\frac{2m}{{E_{g} }}} \right)^{\frac{1}{2}} \left( {q^{3} E\frac{v}{{4\pi^{2} \hbar^{2} }}} \right)Ae^{{\left( { - \frac{4}{3qE\hbar }\sqrt {2mE_{g}^{3} } } \right)}}$$ (2) $$T = \sqrt {\left( {2.2t_{RC} } \right)^{2} + t_{d}^{2} + \tau_{d}^{2} }$$ (3)

di mana P adalah daya insiden, R adalah refleksi, α adalah koefisien serapan, W adalah ketebalan lapisan I, D adalah koefisien difusi lobang, dan τ adalah umur pembawa. E \(\propto\) tegangan bias, t_RC adalah konstanta waktu sirkuit yang terutama ditentukan oleh resistansi dan kapasitansi ekivalen. t_d adalah waktu difusi, dan τ_d adalah waktu transit.

Pengaruh tegangan bias terbalik terhadap parameter di atas ditunjukkan pada Gambar 3, terlihat bahwa dengan peningkatan tegangan bias, arus respons dan arus gelap juga akan meningkat; namun, waktu naik akan berkurang. Oleh karena itu, perlu menyeimbangkan kontradiksi antara arus respons, waktu naik, dan arus gelap seiring peningkatan bias dan memilih bias yang sesuai sesuai kebutuhan. Dengan cara yang sama, ketebalan lapisan I dari struktur PIN, yang sangat menentukan ketebalan fotodetektor, juga direplikasi dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Sementara itu, Gambar 5 memberikan pengaruh lebar selang isolasi pada fotodetektor, terlihat bahwa ketika lebar selang isolasi ditingkatkan menjadi 100 μm, tingkat crosstalk pada dasarnya stabil. Menurut hasil simulasi, arus respons, arus gelap, dan waktu naik optimal diperoleh, parameter perangkat spesifik ditunjukkan pada Tabel 1.

Kurva perubahan arus respons, karakteristik arus gelap, dan waktu naik fotodetektor pada berbagai tegangan bias terbalik

Kurva perubahan arus respons, karakteristik arus gelap, dan waktu naik fotodetektor pada berbagai ketebalan lapisan I

Pengaruh lebar selang isolasi terhadap tingkat crosstalk

Untuk mencapai respons tinggi, kecepatan respons cepat, dan stabilitas tinggi fotodetektor, beberapa proses produksi juga telah dioptimalkan [22,23,24]. Pertama, selang isolasi dan cangkir pemblokir dirancang untuk mengurangi crosstalk di antara area sensitif cahaya yang berdekatan. Kedua, proses penipisan wafer dan pelesiran digunakan untuk mengurangi ketebalan lapisan depleksi untuk meningkatkan kecepatan respons perangkat. Ketiga, persiapan silikon hitam dengan ablasi laser femtodik satu langkah adalah kunci untuk mencapai repeatabilitas dan stabilitas yang baik dari material silikon hitam. Terakhir, perlakuan passivasi bawah permukaan lapisan silikon hitam digunakan untuk mengurangi dan mengatur kepadatan status cacat permukaan dan mengurangi rekombinasi pembawa foto yang mati untuk mencapai daya tanggung tinggi fotodetektor. Proses pembuatan spesifik fotodetektor ditunjukkan pada Gambar 2. Diagram perangkat akhir ditunjukkan pada Gambar 2j, di mana ketebalan lapisan I adalah 180 μm dan ketebalan lapisan P N adalah 10 μm, P⁺ dibentuk oleh dop berlebih B pada silikon tipe P, N⁺ dibentuk oleh difusi P, dan elektroda kontak ditinggalkan dengan penguapan termal.

Gambar 6 menunjukkan perubahan morfologi permukaan dan properti fotoelektrik silikon hitam dop Se sensitif cahaya notch tinggi setelah pemanasan suhu tinggi, parameter pemrosesan spesifik adalah sebagai berikut: kecepatan pemindaian: 1 mm/s; densitas daya laser: 4,5 kJ/m²; tekanan gas HF: 9 × 10⁴ Pa. Terlihat pada gambar bahwa morfologi permukaan sebelum dan setelah pemanasan suhu tinggi lebih merata pada array silikon hitam berundak skala nanometer tanpa perubahan yang jelas. Dari segi spektrum serapan, tingkat serapan rata-rata setelah pemanasan silikon hitam yang dibuat dengan proses baru dalam artikel ini mencapai 83,12%, ketahanan api meningkat secara signifikan dibandingkan dengan tingkat serapan sekitar 50% setelah pemanasan silikon hitam dop S. Sementara itu, efek kecepatan pemindaian pulsa laser femtodik terhadap performa material silikon hitam diuji, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 7. Terlihat bahwa dengan penurunan kecepatan, jumlah dop elemen Se terus meningkat, yang mengarah pada bentuk ujung kerucut silikon hitam yang lebih jelas dan tingkat serapan yang lebih tinggi.

Perubahan morfologi permukaan dan properti fotoelektrik material setelah pemanasan suhu tinggi

Morfologi permukaan dan spektrum serapan material pada berbagai kecepatan pemindaian a 10 mm/s, b 5 mm/s, c 2 mm/s, d 1 mm/s

Menurut teori pemetaan Tauc, lebar celah energi material dapat diperoleh dengan transformasi spektrum serapannya [25]:
$${\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right) \approx \frac{{{\text{A}}^{{2}} }}{{{\text{2R}}}}$$ (4) $$\left( {{\text{h}}\nu \alpha } \right)^{{\frac{{1}}{{\text{n}}}}} = {\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Eg}}} \right)$$ (5) $${\text{h}}\nu = \frac{{{1239}{\text{.7}}}}{\lambda }$$ (6) $$\left( {{\text{h}}\nu {\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right)} \right)^{{\frac{{1}}{{2}}}} = {\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Eg}}} \right)$$ (7)

di mana A adalah serapan spektral, R adalah refleksi. Titik infleksi (titik maksimum turunan pertama) diperoleh dengan menghitung turunan pertama dari kurva hv-(hvF(R∞))^1/2, dan garis singgung dibuat pada titik ini. Nilai absis dari potongan garis singgung dan sumbu X adalah lebar celah energi sampel. Hasil lebar celah energi ekivalen material silikon hitam pada berbagai kecepatan pemindaian ditunjukkan pada Tabel 2, dengan penurunan kecepatan pemindaian dan peningkatan konsentrasi dop Se, lebar celah energi berkurang dibandingkan dengan 1,12 eV material silikon tradisional, dan band spektral bertambah.

Jungsi PIN duplikasi empat kuadran fotodetektor direplikasi pada berbagai lebar celah energi material. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 8; hasilnya menunjukkan bahwa dengan penurunan lebar celah energi, puncak serapan arus foto bergeser ke arah band infrarot dekat. Oleh karena itu, mempertimbangkan hasil simulasi, kinerja optik dan elektrik fotodetektor, kecepatan pemindaian optimal dapat dipilih.

Daya tanggung silikon hitam dengan berbagai lebar celah energi

Proses simulasi yang sama digunakan untuk menentukan parameter persiapan material optimal di bawah berbagai kondisi eksperimental, seperti densitas daya optik dan tekanan udara HF, yang ditunjukkan pada Gambar 9 dan 10.

Morfologi permukaan dan spektrum serapan material pada berbagai tekanan udara HF a 1 × 10⁴ Pa, b 3,5 × 10⁴ Pa, c 6 × 10⁴ Pa, d 8,5 × 10⁴ Pa

Morfologi permukaan dan spektrum serapan material pada berbagai densitas daya optik a 2,5 kJ/m², b 4,5 kJ/m², c 6,0 kJ/m², d 9,0 kJ/m²

Parameter pemrosesan spesifik adalah sebagai berikut: kecepatan pemindaian: 1 mm/s; densitas daya laser: 4,5 kJ/m²; tekanan gas HF: 9 × 10⁴ Pa, di bawah parameter eksperimental di atas, material silikon hitam disiapkan dengan teknologi baru, dan duplikasi empat kuadran fotodetektor dibuat. Gambar fisik fotodetektor dan hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 11, Tabel 3 dan 4, dan hasil daya tanggung diukur dengan lapisan 2 mW. Hasil menunjukkan bahwa daya tanggung rata-rata per unit adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm pada bias terbalik 50 V, jangkauan respons berkisar dari 400 hingga 1200 nm, yang pada dasarnya sama dengan hasil simulasi. Tingkat serapan spektral rata-rata lebih dari 90%, dan arus gelap rata-rata kurang dari 8 nA, arus gelap diukur dengan menambahkan kotak hitam pada detektor untuk mengukur arus pada bias terbalik, dan hasil arus gelap sedikit lebih besar dari hasil simulasi, karena kedalaman seragam dari jungsi di wilayah sensitif cahaya tidak ideal dalam pemrosesan aktual. Sementara itu, waktu respons diukur dengan membaca perubahan arus foto melalui osiloskop ketika sinyal pulsa laser diberikan pada detektor, dan waktu naik rata-rata kurang dari 12 ns, yang mengonfirmasi hasil simulasi yang diharapkan. Oleh karena itu, fotodetektor yang diproduksi dalam artikel ini tidak hanya mencapai penempatan kuadran empat yang akurat, tetapi juga memastikan band deteksi yang luas, arus gelap rendah, dan respons cepat.

a Gambar fisik duplikasi empat kuadran fotodetektor. b Daya tanggung berbagai sampel duplikasi empat kuadran fotodetektor

Kesimpulan

Dalam artikel ini, proses persiapan baru untuk silikon hitam diusulkan, dengan mempersiapkan material silikon hitam dop Se dengan penangkap optik tinggi melalui ablasi laser femtodik pada silikon tahan tinggi lapisan film Se dalam atmosfer gas HF. Hasil menunjukkan bahwa daya serap rata-rata pada band 400–2200 nm sebelum pemanasan adalah 96,81%, dan daya serap tetap pada 81,28% setelah pemanasan pada 600 derajat. Sementara itu, silikon hitam yang disiapkan dengan teknologi baru digunakan dalam duplikasi empat kuadran fotodetektor, hasilnya menunjukkan bahwa daya tanggung rata-rata per unit adalah 0,528 A/W pada 1060 nm dan 0,102 A/W pada 1180 nm pada bias 50 V, dan arus gelap rata-rata adalah 2 nA pada kuadran dalam dan 8 nA pada kuadran luar. Duplikasi empat kuadran fotodetektor berbasis silikon hitam yang ditingkatkan infrarot dekat memiliki keunggulan daya tanggung tinggi, arus gelap rendah, respons cepat dan crosstalk rendah, sehingga cocok untuk serangkaian arah aplikasi, seperti deteksi penglihatan malam dan bidang medis.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang digunakan atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis tanggung jawab atas permintaan yang wajar.

Singkatan

SEM:

Mikroskop Elektron Skening

NIR:

Infrarot Dekat